सामग्री का परिचय: प्रकृति और गुण (भाग 1: सामग्री की संरचना)

प्रो आशीष गर्ग

सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान, कानपुर

व्याख्यान - 02

सामग्री में संबंध

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सामग्री की संरचना गुणों को प्रभावित करती है, और प्रक्रिया संरचना को इंजीनियर कर सकती है। हमने संरचना को विभिन्न लंबाई के तराजू को देखा; वे मैक्रो, माइक्रो, नैनो, इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु आदि हैं। इसलिए, मैक्रोस्ट्रक्चर आमतौर पर नग्न आंखों से देखा जाता है। माइक्रो, नैनो, या परमाणु संरचना के लिए, आप ऑप्टिकल से एसईएम तक एक TEM में जाते हैं; यह विशिष्ट प्रगति है क्योंकि आप माइक्रो से नैनोस्ट्रक्चर में जाते हैं।

फिर परमाणु या इलेक्ट्रॉनिक संरचना के लिए, आपको आमतौर पर सिमुलेशन करना होगा। हमने सामग्री टेट्राहेड्रॉन दृष्टिकोण से सामग्रियों की संरचना पर चर्चा की क्योंकि संरचना गुणों, प्रक्रियाओं और अनुप्रयोगों से संबंधित जटिलता से एकीकृत है। इसलिए, इससे पहले, हमने चार श्रेणियों में सामग्री को वर्गीकृत किया था, पहली श्रेणी धातु और अलॉय है, दूसरी सिरेमिक और चश्मा था, तीसरी श्रेणी पॉलिमर और इलास्टोमर थी, और चौथी श्रेणी हाइब्रिड या कंपोजिट थी।

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जैसा कि हम जानते हैं, धातुओं मजबूत, ductile, और कठिन हैं । हालांकि, उनके पास खराब जंग प्रतिरोध है, उनके पास उच्च थर्मल चालकता है, दूसरी ओर सिरेमिक, भंगुर हैं, लेकिन वे बहुत मजबूत हैं। हालांकि, उनके पास कम विद्युत और थर्मल चालकता है, कुल मिलाकर, पॉलिमर, दूसरी ओर, नरम, प्रकाश हैं, उन्हें बहुत लंबी दूरी तक बढ़ाया जा सकता है।

वे भी कठिन हैं, और वे भी बहुत जंग प्रतिरोधी हैं, लेकिन वे उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए बहुत अच्छा नहीं कर रहे हैं । दूसरी ओर, कंपोजिट, सामग्री के दोनों विभिन्न वर्गों के लाभ का लाभ उठाने के लिए दो विषम सामग्रियों को मिलाकर निर्मित होते हैं। अब तक, हमने सामग्रियों को वर्गीकृत करने के एक तरीके पर चर्चा की, और अब हम परमाणु संबंध के आधार पर सामग्री वर्गीकरण पर चर्चा करने जा रहे हैं ।

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उदाहरण के लिए, धातुओं और मिश्र धातुओं धातु बांड के माध्यम से बंधुआ हैं । आयनिक बांड या आंशिक रूप से सहसंयोजक बांड बांड सिरेमिक और चश्मा। उदाहरण के लिए, सोडियम क्लोराइड अत्यधिक आयनिक संबंध होगा; सिलिकॉन कार्बाइड और जिंक ऑक्साइड में बॉन्डिंग में आंशिक रूप से आयनिक और सहसंयोजक होगा। दूसरी ओर, पॉलिमर में सहसंयोजक और माध्यमिक संबंध का मिश्रण होता है।

इसके अलावा, यह इन बंधनों की प्रकृति है, जो इन सामग्रियों के गुणों को प्रदान करने में बहुत महत्वपूर्ण है । धातुओं में धातु संबंध के कारण उच्च विद्युत चालकता, उच्च थर्मल चालकता, निंदनीयता या डक्टिलिटी होती है। सिरेमिक मजबूत होते हैं, और उनके पास कम विद्युत, थर्मल चालकता होती है, और उनके पास थर्मल विस्तार का कम गुणांक होता है क्योंकि आयनिक बांड या सहसंयोजक बांड उन्हें बांड करते हैं।

दूसरी ओर, पॉलिमर नरम, कम ताकत हैं क्योंकि वे मुख्य रूप से हैं, सहसंयोजक और माध्यमिक संबंध का मिश्रण है, और माध्यमिक संबंध गुणों का निर्धारण करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इसलिए, हम सामग्रियों की परमाणु संरचना पर जाने से पहले विभिन्न सामग्रियों के संबंध पहलुओं को संक्षेप में देखेंगे । तो, हमें क्या हम संबंध के रूप में कहते हैं के साथ शुरू करते हैं; यह संबंध पर एक पूर्ण पाठ्यक्रम नहीं है; यह सिर्फ बॉन्डिंग पर प्राइमर है ।

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हम जानते हैं कि आपके पास परमाणु संरचना है । इसलिए, परमाणु संख्या के आधार पर, आपके पास एक नाभिक हो सकता है, और इस नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन और विभिन्न इलेक्ट्रॉनों के आसपास हैं। इसलिए, आपको परमाणु संख्या पर निर्भर रहना पड़ सकता है, और आपके पास 1s है², 2s², 2p⁶, और इतने पर। यदि जेड 10 के बराबर है, तो आप एक संरचना 1s कर देगा², 2s², 2p⁶, और जैसा कि आप उच्च जाते हैं, आप परमाणुओं का निर्माण रख सकते हैं।

तत्व की सामग्री का एक परमाणु द्रव्यमान जेड के बराबर है, जो परमाणु संख्या प्लस एन है, जो न्यूट्रॉन की संख्या है । ये दो बातें हम परमाणुओं के बारे में जानते हैं क्योंकि सब कुछ परमाणुओं से बना है । इसलिए, संबंध बनाने से पहले परमाणु ढांचे को अच्छी तरह से समझना होगा।

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परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की विशेषताएं क्या हैं? इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा का स्तर आप असतत या मात्राकृत कह सकते हैं। इसलिए, विशिष्ट ऊर्जा स्तर हैं, जो इलेक्ट्रॉनों पर कब्जा करते हैं, और प्रवृत्ति सबसे पहले सबसे कम ऊर्जा राज्य पर कब्जा करने की है। के रूप में सबसे कम ऊर्जा राज्यों भर रहे हैं, तो उच्च ऊर्जा राज्यों भर रहे हैं । तो, उदाहरण के लिए, आप एन हो सकता है, एन 1 के बराबर है, यह एक है, और जैसा कि आप ई के लिए जाना₁, और यदि एन 2 के बराबर है, तो आप ई पर जाते हैं₂, और जैसा कि आप एन जाने के लिए 3 के बराबर है, तुम ई के पास जाओ₃, और यह मूल रूप से ऊर्जा में वृद्धि हो रही है ।

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तो, पूरी तरह से भरा ऊर्जा का स्तर, हीलियम, नीयन, Xenon, और Krypton की तरह, इन सभी को पूरी तरह से ऊर्जा के स्तर को भरा है निष्क्रिय गैसों कहा जाता है । इलेक्ट्रॉनिक गोले पूरी तरह से भरे नहीं हैं, उदाहरण के लिए, यदि आप लोहे को देखते हैं तो 26 की परमाणु संख्या है, यह 1s बनाता है², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 4s², और तुम तो क्या है? 3 डी⁶ और डी-ऑर्बिटल में 10 इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, लेकिन इसमें केवल 6 इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए यह आंशिक रूप से भरा हुआ है।

अब लोहे के परमाणुओं की उपस्थिति के आधार पर इलेक्ट्रॉनों को देने या लेने की प्रवृत्ति होती है, जिसे इलेक्ट्रोनेगिटी इलेक्ट्रो सकारात्मकता कहा जाता है। यह निर्धारित कर सकता है कि उनके पास किस तरह की बॉन्डिंग होगी, या कभी-कभी क्या होता है कि उन्हें जरूरी नहीं कि इलेक्ट्रॉन को दूर करना पड़े या इलेक्ट्रॉन को वे इलेक्ट्रॉन साझा कर सकें। परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों को कैसे कॉन्फ़िगर या साझा किया जाता है, इस पर निर्भर करता है कि वे कुछ प्रकार के संबंधों से गुजरते हैं।

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इसलिए, जैसा कि हम देख सकते हैं कि एक निष्क्रिय गैस को छोड़कर, सभी तत्वों ने इलेक्ट्रॉनिक कक्षों को भरा हुआ है, और परिणामस्वरूप, वे अस्थिर हैं, जिसका अर्थ है स्थिर होना, उन्हें एक स्थिर विन्यास करना होगा । तो, उन्हें क्या करना चाहिए? उन्हें इन इलेक्ट्रॉनों के साथ कुछ करना चाहिए, जिसे बाहरी गोले में इलेक्ट्रॉनों का अधूरा विन्यास दूर ले जाना होता है या उन्हें साझा करना होता है, और इसीलिए इन्हें वैलेंस इलेक्ट्रॉन कहा जाता है ।

ये वैलेंस इलेक्ट्रॉन बाहरी खोल इलेक्ट्रॉन हैं, जो उस विशेष कक्षा में इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या की संख्या के बराबर नहीं हैं । हालांकि, यदि आप आवधिक तालिका को देखते हैं, तो आपके पास आवधिक तालिका में विभिन्न कॉलम हैं।

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इसलिए, हम आई ए, II-ए, III बी, चतुर्थ बी, वी बी, छठी बी और सातवीं बी कर सकते हैं, इसलिए यह 7 हो जाता है, और उसके बाद, आप 1 बी आदि पर जाते हैं। इसलिए, चरम अधिकार पर, आपके पास निष्क्रिय गैसें हैं। बाईं ओर, आपके पास ऐसे तत्व होते हैं जिन्हें इलेक्ट्रोपॉजिटिव कहा जाता है, दाईं ओर, निष्क्रिय तत्वों से ठीक पहले आपके पास इलेक्ट्रोनेटिव तत्व होते हैं। इसके अलावा, इलेक्ट्रोपॉजिटिव तत्वों के बारे में यह विशिष्ट बात क्या है? इलेक्ट्रो पॉजिटिव तत्व दान करते हैं या अपने अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को दूर कर देते हैं, जो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों की अधूरी खोल अधूरी संख्या है, जो उस खोल में पड़ी हुई है, और ये विद्युत तत्व स्वीकार करते हैं ।

सोडियम, पोटेशियम, मैग्नीशियम, कैल्शियम जैसे तत्व इस तरफ के सभी तत्वों के पास वे इलेक्ट्रोपॉजिटिव हैं, वे इलेक्ट्रॉनों को दूर करते हैं। दूसरी ओर क्लोरीन, फ्लोरीन, ब्रोमीन, आयोडीन जैसी चीजें इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करते हैं। इसी तरह, ऑक्सीजन, सल्फर, और इतने पर इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने की आदत है । इसलिए एक तरफ आपके पास ऐसे परमाणु होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों का दान करते हैं और दूसरी तरफ आपके पास ऐसे परमाणु होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने की प्रवृत्ति वाले होते हैं। बीच में, आपके पास कॉलम 3 तक परमाणु हैं, बोरोन एल्यूमीनियम में आपके पास ज्यादातर तत्व हैं, जो इलेक्ट्रॉन को दूर कर देंगे।

इसलिए, एक तरफ, आपके पास इलेक्ट्रोपॉजिटिव तत्व होते हैं, और दूसरी तरफ, आपके पास इलेक्ट्रोनेटिव तत्व होते हैं। और जब आप इन तत्वों को मिलाते हैं, तो आप बांड बनाते हैं। क्योंकि एक दूर देने के लिए जाता है एक इलेक्ट्रॉनों लेने की प्रवृत्ति है, और वह है जहां बांड का गठन कर रहे हैं । तो, आमतौर पर, विद्युत लक्षण पर्वतमाला। (स्लाइड समय देखें: 16:12)

इसलिए, यह इलेक्ट्रो सकारात्मकता या विद्युत विकृति की प्रकृति द्वारा निर्धारित किया जाता है। इलेक्ट्रोनेगिटी का निर्धारण इलेक्ट्रोनेगिटी नामक मूल्य से होता है, और जो 0.7 से 4 तक होता है। इसलिए, 0.7 इलेक्ट्रोपॉजिटिव या कम इलेक्ट्रोनेटिव होगा, और चार अत्यधिक विद्युत नीरस होंगे। उदाहरण के लिए, लिथियम, यह एक पैरामीटर द्वारा दर्शाया गया है जिसे कहा जाता है χ. तो, लिथियम के लिए, यह मूल्य आम तौर पर 1 है, सोडियम के लिए, यह लगभग 0.9 है, पोटेशियम के लिए यह लगभग 0.8 है। यदि आप कॉलम 2 को देखें, मैग्नीशियम लगभग 1.3 है, और कैल्शियम लगभग 0.13 है, यदि आप थोड़ा आगे जाते हैं, तो टाइटेनियम का मूल्य लगभग 1.5 है, जिरकोनियम का मूल्य लगभग 1.3 है। यदि आप आगे सही जाते हैं, क्रोमियम का मूल्य 1.7 है, मैंगनीज का मूल्य 1.6 है, आयरन का मूल्य 1.8 है, और कोबाल्ट का मूल्य 1.9 है, तांबे का मूल्य 1.9 है।

आप देख सकते हैं कि इनमें से अधिकांश तत्वों में इलेक्ट्रोनेगिटी होती है, जो निचले हिस्से में थोड़ा है, लिथियम से शुरू होता है, जो 1 से शुरू होता है, यह अधिकांश धातुओं के लिए लगभग दो तक सही हो जाता है। इसलिए, वे कुछ अर्थों में हैं, जैसे दृढ़ता से इलेक्ट्रोपॉजिटिव या मामूली इलेक्ट्रोपॉजिटिव। इसलिए, मुझे यहां परिभाषित करना चाहिए, यह दृढ़ता से विद्युतक्षर है। यह दृढ़ता से विद्युतीकृत होगा।

इसलिए, ये विशिष्ट धातुएं हैं। अब अगर मैं आवधिक तालिका के दूसरे पक्ष में जाता हूं, तो आप फ्लोरीन से शुरू करते हैं, फ्लोरीन का मूल्य 4 है।

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क्लोरीन का मूल्य 3 है; आयोडीन का मूल्य 2.7 है, ऑक्सीजन का मूल्य 3.5 है, सल्फर का मूल्य 2.5 है, नाइट्रोजन का मूल्य 3 है, फॉस्फोरस का मूल्य 2.2 है, कार्बन का मूल्य 2.5 है। ये दृढ़ता से विद्युत हैं, और ये तत्व यौगिक बनाते हैं यही कारण है कि आप प्रकृति में देखते हैं कई चीजें कार्बाइड, नाइट्राइड, ऑक्साइड, सल्फाइड, आयोडाइड, क्लोराइड के रूप में दिखाई देती हैं, क्योंकि ये तत्व अपने इलेक्ट्रॉनों को लेने के लिए अन्य तत्वों के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए तैयार हैं। इसलिए, यह वस्तुओं के बीच भेद का आधार है।

इन मापदंडों के आधार पर, आपके पास इलेक्ट्रॉनों और बाहरी गोले की अतिरिक्त संख्या है, या अस्थिर विन्यास है, जो धातुओं को इन अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ कुछ करने की अनुमति देता है ताकि यह एक स्थिर विन्यास बन जाए, वे बांड को ठीक करते हैं। इसके अलावा, ये बाहरी खोल इलेक्ट्रॉन जो पर्याप्त संख्या में नहीं हैं, उन्हें वैलेंस इलेक्ट्रॉन कहा जाता है और वे कैसे प्रतिक्रिया करते हैं कि ये विभिन्न तत्व इसे कैसे जोड़ते हैं, यह इलेक्ट्रोनेटिव में अंतर पर निर्भर करता है।

इसलिए, यदि आपके पास विषम सामग्री है, तो उन्हें बंधन बनाने होंगे क्योंकि उन्हें स्वीकार करने और लेने की प्रवृत्ति है कि वे इलेक्ट्रॉन देंगे, लेकिन यदि आपके पास उदाहरण के लिए विषम यौगिक नहीं है, तो लोहा कहें या केवल तांबा कहें या केवल एल्यूमीनियम कहें, उस मामले में उन इलेक्ट्रॉनों के साथ कुछ करने का कोई अन्य तंत्र है । इसलिए, यहीं हम संबंध बनाने के लिए आते हैं ।

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बॉन्डिंग इस बात से तय होती है कि इलेक्ट्रॉन वैलेंस इलेक्ट्रॉन कैसे होते हैं । वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को परमाणुओं द्वारा कैसे संभाला जाता है जब उन्हें एक साथ पहनावा दिया जाता है। इसलिए, आपके पास दो मामले हैं जो आप एक से अधिक तत्व विषम मिश्रण कर सकते हैं, और आपके पास एक ही तत्व हो सकता है। तो, उदाहरण के लिए, इसका मतलब यह होगा कि आप कह सकते है यौगिकों विषम नहीं है, लेकिन मैं कहूंगा यौगिक ।

उदाहरण के लिए, सोडियम क्लोराइड जैसी चीजें, आपको लगता है कि ऑक्साइड और इतने पर, और यहां यह आयरन, कोबाल्ट, निकल, एल्यूमीनियम की तरह कुछ भी एकल होगा। तो आइए देखते हैं कि अलग-अलग तरह के बॉन्ड्स क्या होते हैं। अब इससे पहले कि हम संबंध में जाएं, हमें इस बात की बुनियाद को समझने की जरूरत है कि जब आप परमाणुओं को एक साथ रखते हैं तो क्या होता है, और वह यह है कि आप अंतरपरमाण्विक को समझकर समझ सकते हैं ।

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इसलिए, मैं बहुत तेजी से कवर कर रहा हूं क्योंकि यह मूल रूप से इस पाठ्यक्रम का आधार नहीं है । लेकिन आपको यह पता होना चाहिए, यही कारण है कि इस विशेष अंतरपरमाण्विक ताकतों का एक संक्षिप्त है । इसलिए, जब आप परमाणुओं को एक साथ लाते हैं, तो ये परमाणु एक दूरी पर स्थित होते हैं आर, जो संतुलन की दूरी है। और यह संतुलन दूरी क्यों है, इस संतुलन की दूरी का क्या महत्व है? क्योंकि जब आप इन परमाणुओं को एक साथ लाते हैं, तो परमाणुओं के बीच बल होते हैं, स्‍त्री-विषयक, और वहां बलों के दो प्रकार के पहले प्रतिकारक बल है, और दूसरा आकर्षक बल है ।

तो, यह हमें कहना है स्‍त्री-विषयक_आर ये है स्‍त्री-विषयक_एक, और यह दूरी है आर. स्थिर विन्यास वह कॉन्फ़िगरेशन है जहां नेट बल 0 के बराबर है। तो, यह एक दूरी पर स्थिर विन्यास है आर₀ जिस पर बल 0 के बराबर है। तदनुसार आप साजिश कर सकते हैं जिसे हम ऊर्जा के रूप में संभावित ऊर्जा कहते हैं; हमें ई संभावित ऊर्जा का कहना है । इस विशेष बिंदु पर यह संभावित ऊर्जा न्यूनतम अधिकार होना चाहिए । इसलिए, यदि आप संभावित ऊर्जा, दूरी की साजिश करते हैं आर₀ जिस पर आपके पास संभावित ऊर्जा है जिसे परिभाषित किया गया है या ई₀ नहीं तो पश्‍चिमी₀ आप कैसे, इस मामले में, हम कह सकते है बस ई नॉट और इस ई नॉट बांड ऊर्जा के रूप में कहा जाता है पर निर्भर करता है ।

परमाणुओं के बीच संतुलन की दूरी के अनुरूप दूरी और ऊर्जा को बांड ऊर्जा कहा जाता है। इसलिए, यह संभावित ऊर्जा प्रतिकारक शब्द के योग और आकर्षक शब्द के योग के रूप में दी जा सकती है। कुछ आर वैल्यू पर ई वैल्यू कम होती है, जो आपको बॉन्ड एनर्जी देती है। इसलिए, हम अगले व्याख्यान में क्या करेंगे, हम विभिन्न प्रकार के बंधनों और अपनी सामग्रियों को देखते हैं, और फिर हम सामग्रियों की संरचना पर आगे बढ़ेंगे ।

धन्यवाद।